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ISSN : 2671-9940(Print)
ISSN : 2671-9924(Online)
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology Vol.57 No.3 pp.214-227
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFOT.2021.57.3.214

Characteristics of tidal current and tidal induced residual current in the channel between Geumo Island and An Island in the southern waters of Korea

Hyo-Sang CHOO*
Professor, Department of Ocean Integrated Science, Chonnam National University, Yeosu 59626, Korea
*Corresponding author: choo@jnu.ac.kr, Tel: +82-61-659-7144, Fax: +82-61-659-7149
2021.07.23 2021.08.10 2021.08.23

Abstract


The distribution of tidal current and tidal induced residual current, topographical eddies and tidal residual circulation in the waters surrounding the Geumo Island-An Island channel were identified through numerical model experiments and vorticity balance analysis. Tidal current flows southwest at flood and northeast at ebb along the channel. The maximum flow velocity was about 100-150 cm/s in neap and spring tide. During the flood current in the neap tide, clockwise small eddies were formed in the waters west of Sobu Island and southwest of Daebu Island, and a more grown eddy was formed in the southern waters of Geumo Island in the spring tide. A small eddy that existed in the western waters of Chosam Island during the ebb in neap tide appeared to be a more grown topographical eddy in the northeastern waters of Chosam Island in spring tide. Tidal ellipses were generally reciprocating and were almost straight in the channel. These topographical eddies are made of vorticity caused by coastal friction when tidal flow passes through the channel. They gradually grow in size as they are transported and accumulated at the end of the channel. When the current becomes stronger, the topographic eddies move, settle, spread to the outer sea and grow as a counterclockwise or clockwise tidal residual circulation depending on the surrounding terrain. In the waters surrounding the channel, there were counterclockwise small tidal residual circulations in the central part of the channel, clockwise from the northeast end of the channel to northwest inner bay of An Island, and clockwise and counterclockwise between Daebu Island and An Island. The circulation flow rate was up to 20-30 cm/s. In the future, it is necessary to conduct an experimental study to understand the growth process of the tidal residual circulation in more detail due to the convergence and divergence of seawater around the channel.


The Geumo Island-An Island channel , Numerical model experiments , Tidal current , Tide induced residual current , Topographical eddy

금오도-안도 협수로 해역의 조류 및 조석잔차류 특성

추효상*
전남대학교 해양융합과학과 교수

초록

    서 론

    우리나라 남해안 중앙에 위치하는 금오도와 안도는 금호열도라 불리며 화태도, 대두라도, 나발도, 연도(소 리도)와 함께 전라남도 여수시 남면에 딸린 섬으로 가막 만 남서쪽으로 존재하며 북으로는 돌산도, 북서쪽에 개 도, 월호도, 횡간도 등의 크고 작은 섬 들이 존재한다. 한편, 안도와 인접한 금오열도의 최남단 연도는 남해 외해에 접해있다. 따라서 금오도와 안도, 연도 주변은 우리나라 남해안을 흐르는 대마난류의 영향과 연안을 따라 흐르는 조류의 영향을 동시에 받는 곳이기도 하다 (Choo, 2002;Choo and Kim, 1998).

    금오도와 안도 주변의 해수유동에 관한 연구는 1995 년 이후 매년 최초로 적조가 발생하는 나로도-소리도 해역 주변의 물질 수송과 관련하여 해수유동 및 해양생 물, 수질 및 저질 분포 등의 조사가 이루어졌다(NIFS: National Institute of Fisheries Sciences, 1997;NIFS, 1998). 또한 원양어장 축소와 연안어장의 자원감소에 대 비한 연근해 수산자원 조성사업의 일환으로 시행된 바 다목장 조성과 관련하여 여수 금오열도 주변의 조석, 조류 조사가 시행된 바 있다(MOF: Ministry of Ocean and Fisheries, 2003). 그 외 여수 주변해역의 전반적인 조류 분포를 보기위한 국립해양조사원의 조류관측 결과 (KHOA: Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, 1977; NIFS, 1978)가 있으나, 이러한 조사와 연구는 대체로 금오열도 서쪽과 동쪽 및 남쪽의 외해와 연결된 해역에 대한 결과가 대부분이다. 한편, 수치모델 실험에 의한 금오도와 안도 주변해역의 유동분포에 대 해서는 Bae and Kim (2012), Seo and Kim (2014) 등이 우리나라 남해 전역에 대한 유동실험에서 조류분포를 제시하였으며, 그 밖에 금오열도를 포함한 남해 외해에 대한 여러 광역 유동수치모형 실험에서 금오도와 안도 주변해역에 관한 조류분포 결과를 나타내었다. 그러나 이들 해수유동 실험들은 금오도와 안도를 중심으로 한 수치모형이 아니며, 더욱이 금오도-안도 사이 협수로 해 역을 대상으로 한 해수유동연구가 아니어서 금오도-안 도 주변해역의 상세한 조류와 조석잔차류 변동을 이해 하는데 한계가 있다.

    한편, 금오도, 안도 주변의 해양생태와 관련하여 적조 나 기타 생물분포 등이 해양 물리적 특성과 밀접한 관련 이 있음이 보고되었다. Seo and Kim (2014)은 한국 남해 안의 유해적조생물 확산과 관련한 유동수치실험 연구에 서 금오도, 안도 서쪽(가막만 남쪽)해역에 적조가 발생 할 경우, 금오도, 돌산도, 여수의 지형적 특성이 흐름의 장벽역할을 하여 적조가 외해로 유출되지 못함을 지적 하였으며, Choi (2001)는 한국 남해의 나로도와 소리도 사이 해역의 하계 해황과 적조소멸에서 해수유동의 중 요성을 언급하였다. 또, Kim (2010)은 남해안 금오도-소 리도 주변해역에 서식하는 저서다모류군집의 분포를 파 악하였으며, Hwang et al. (1999)은 어군탐지와 수온, 염분 분포조사를 통해 금오도 남쪽에 형성되는 고밀도 어군의 존재와 금오도 주변연안에 서식하는 어류의 종 조성(Han and Oh, 2007)등을 파악하였다.

    현재 금오도, 안도를 비롯한 금오열도 해역은 2003년 이후 전남 다도해형 바다목장해역으로 지정 운용, 관리 되고 있다(FIRA: Korea Fisheries Resources Agency, 2021). 따라서 이들 해역은 생물생산성이 타 해역보다 높아, 이들 생산성에 금오열도 다도해 주변의 해수유동 이 어떠한 관련성을 가지는지 파악하고자 하는 조사 연 구(Choo and Kim, 2013;Choo, 2019a)가 있어 왔다. Choo and Kim (1998)은 대마난류를 타고 한국 남해 연 안에 접안 회유하여 산란하는 멸치 난·자어들의 성육과 색이에 필요한 해양환경으로 소리도 동쪽(소리도~거제도 연안)보다 서쪽(금오열도 주변)에 부유물질, 영양염, 클로 로필 농도 등이 높은 물이 출현하는 것을 그 원인으로 지목하였다. 우리나라 남서해 다도해역 주변이 이처럼 어 업 생산성이 높은 환경으로 유지되는 이유로 Choo and Kim (2013)는 협수로 해역의 탁월한 조석잔차류가 해안 지형(boundary geometry)과 해저지형(bottom topography) 에 기인하여 연안역의 장기 물질수송에 중요한 역할을 하고, 해저마찰로 인한 수주의 단위면적당 일률(에너지 비율)인 조석에너지의 분산정도가 매우 커, 용승효과를 주는 해수의 연직혼합이 매우 활발하기 때문임을 지적 하기도 하였다.

    이와 같이 금오도-안도 협수로의 해수유동이 인근해 역의 해양구조나 생태환경, 어장형성에 매우 큰 영향을 끼침에도 불구하고 지금까지 금오도-안도 협수로 해역 의 유동특성을 결정하는 조류나 조석잔차류를 파악하기 위한 정량적 유동조사나 유동실험연구는 거의 드문 실 정이었다. 본 연구는 금오도-안도 협수로 해역을 통과하 는 조류관측과 해수유동 수치모형실험을 통해 생물 생 산성의 주요 역학요인인 조석잔차(평균)류의 생성과 소 멸, 그리고 이들의 분포와 역할에 대해 검토하였다. 또 해역 내 물질순환에 기여하는 지형성 에디(Eddy)의 생 성구조를 와도(Vorticity) 평형관계로 분석·고찰하였다.

    재료 및 방법

    유한차분격자체계하의 수심 적분된 2차원 모델 DIVAST (Depth Integrated Velocities And Solute Transport; Falconer, 1986)를 이용하여 조류 흐름을 계 산하였다. 계산에 사용된 연직 적분된 기본방정식은

    ∂ ζ ∂ t + H ( ∂ u ∂ x + ∂ υ ∂ y ) = 0
    (1)

    ∂ u H ∂ t + β { ∂ u 2 H ∂ x + ∂ u υ H ∂ y } = f υ H − g H ∂ ζ ∂ x + ∈ H { 2 ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 + ∂ 2 υ ∂ x ∂ y } + F x
    (2)

    ∂ υ H ∂ t + β { ∂ u υ H ∂ x + ∂ υ 2 H ∂ y } = − f u H − g H ∂ ζ ∂ x + ∈ H { 2 ∂ 2 υ ∂ x 2 + ∂ 2 υ ∂ y 2 + ∂ 2 u ∂ x ∂ y } + F y
    (3)

    이다. 여기서 Fx, Fy는 조류에 의한 해면과 해저마찰을 나타낸다.

    F x = − τ b x ρ − τ s x ρ ,   F y = − τ b y ρ − τ s y ρ
    (4)

    여기서, τbx , τby는 해저마찰력 성분으로

    τ b x = ρ g u ( u 2 + υ 2 ) 1 / 2 C 2 , τ b y = ρ g υ ( u 2 + υ 2 ) 1 / 2 C 2
    (5)

    이다. C는 Chezy type 저항계수로 Manning 조도계수 n(= 0.03)과의 관계는 C = 1 n H 1 / 6 , 또 τsx , τsy는 바람 의 응력에 의한 해면마찰력 성분으로

    τ s x = ρ a C * W x ( W x 2 + W y 2 ) 1 / 2 ,   τ s y = ρ a C * W y ( W x 2 + W y 2 ) 1 / 2
    (6)

    이다. 여기서 u, υ는 해면에서 저면까지 연직 평균된 x (동쪽), y(북쪽) 방향유속, ∈는 수심 평균 와동점성계수, g는 중력가속도, ζ(≪ H)는 평균해면으로부터 조석에 의한 해수면변화, ρ는 유체의 밀도(= 1,026 kg/m3 ), H 는 유체의 수심, f는 코리올리 계수, β는 연직속도의 비 균일에 의한 보정계수(= 1.2; Falconer and Chen, 1991), ρa는 공기밀도(= 1.25 kg/m3 , C*는 대기-해양 간 저항 계수(= 2.6×10-3), Wx , Wy 는 풍속의 x, y 방향성분 이다.

    실험은 여수반도 남쪽 금오열도 남단과 안도 주변, 금오도-안도 협수로 해역의 조류를 평가하기 위해 이 들 해역이 포함된 광역 해역(Fig. 1 상단)과 이들 모형 실험 결과를 개방 경계조건으로 한 금오도-안도 주변 협역 해역(Fig. 1 하단)으로 구분하여 실시하였다. 광 역 수치모형실험 영역은 대상해역의 지형과 주요 연안 이 잘 재현되도록 그 범위를 북쪽은 여자만(N 34°52.6', E127°17.6')과 광양만(N35°02.3', E127°55.5'), 남으로는 손죽도 동쪽 광도(N 34°15.7', E127°31.5')와 욕지도 남서쪽 해역(N34°25.4', E128°09.4')을 대상으로 하였다.

    광역 수치모형에서 대상으로 한 직사각형 모델영역의 가로(동서) 방향 길이는 59.5 km, 세로(남북) 방향 길이 는 70 km로, 총면적은 4,165 km2 이다. 계산격자는 x , y 좌표계에서 x방향 119개, y방향 140개로 구분, 1 개 격자간격이 x , y 방향 모두 500 m인 총 16,660개의 격자점으로 구성하였다. 격자망의 좌표축은 계산편의를 위해 지리적 좌표축과 17.5° 시계방향으로 회전한 상태 에서 원점을 모델영역의 좌측 하단으로 잡았다(Fig. 1 상단). 협역 수치모형 범위는 금오도-안도 해역의 해저 지형과 조류변화를 잘 반영할 수 있도록 동서 방향 8.86 km, 남북 방향 8.74 km, 총 면적 77.44 km2을 설정, 서쪽은 금오도와 소리도 사이해역, 동쪽은 금오도, 안도, 소리도 동쪽해역, 남쪽은 소리도 북쪽해역, 북쪽은 금오 도 동쪽해역으로 설정하였다(Fig. 1 하단). 협역 수치모 형 계산격자는 해역에 나타나는 상세한 유동을 파악하 기 위해 x 방향 443개, y 방향 437개, 격자간격은 x , y 방향 모두 20 m인 총 193,591개로 구성하였다. 좌표축 은 광역모형과 달리 영역을 지리적 좌표와 동일하게 선 정한 다음, 원점을 좌측 하단으로 잡았다(Fig. 1 하단). 모델계산에서 해안선의 위치와 각 격자점의 수심 입력에 사용된 자료는, 광역모형이 국립해양조사원 발행의 축척 1:250,000 해도 No.F299, 협역모형은 축척 1:50,000 해 도 W240, No.209 와 1:25,000인 연안정보도(도엽번호 347121, 해양수산부(MOF); 2004. 11)를 이용하였다. 광역모형의 조류는 모형 외곽(개방)경계에서 시간에 따른 해면변위의 변화를 통해 재현하였다. 조류계산 시 개방경계의 조화상수(KIOST: Korean Institute of Ocean Science and Technology, 1996)는 국립해양조사 원에서 조사된 나로도, 광도, 미조항에서의 4대분조 (M2, S2, K1, O1)를 참고, 분석하고 적절한 외삽을 시행 한 후 적용하였다. 계산 시간간격(Δt)은 조석 전파항에 관한 Courant의 안정 조건식 c r = ( Δ t / Δ s ) g H ≤ 8 , Δ t ≤ 8 Δ s / g H 을 이용하여 20초 미만으로 총 30일 계산하여 최종 15일의 유동결과를 이용하였다. 여기서 Δs는 격자간격이다. 유동장의 초기조건은 계산시작 단 계에서 해수유동이 없는 것으로 설정하여 계산을 시작 하였다. 또한, 유동의 폐 경계조건으로 육지 경계면을 가로지르는 유량은 없는 것으로 하였다. 한편, 광역모형 실험을 통해 얻어진 이러한 결과로부터 협역모형의 경 계치를 설정하였다.

    결과 및 고찰

    모델의 검증

    광역모형의 수치실험결과를 검증하기 위해 St. T4 (Uhak-ri 지점, 34°30’18“ N, 127°46’20” E)에서의 관측 조위(KHOA, 1977)와 해당지점에 대한 계산결과를 Fig. 2에 나타냈다. 계산결과(그림 속 삼각형 기호)는 관측치 (그림 속 실선의 조위곡선)와 대체로 일치하여, 개방경 계에서 입력한 수위변동이 대상해역의 조위변화를 잘 재현하고 있음을 알 수 있다. 한편, 금오도 서쪽연안에 위치한 조류 관측정점 St.G (34°36.60'N, 127°43.20'E)에 서 대, 소조시 측정된 조류 측정결과(MOF, 2003)와 모 델영역 내 동일 지점에서 계산한 유동결과를 Table 1에 나타냈다. St. G에서의 조류는 창조시 북서, 낙조시 남동 방향으로 수치계산에 의한 유향과 대체로 일치하였다. 해당지점에서 수치 계산된 조류의 평균유속은 대조시 60 cm/s, 소조시 16 cm/s로, 관측에 의한 유속의 91-94% 였다. 수치계산에 의한 유속이 관측결과보다 다소 작은 것은 St.G의 현장관측은 표층(관측수심 약 5 m)이나, 모델실험은 수심(20 m) 평균되어진 유속으로 계산되었 기 때문으로 판단된다.

    협역모형에 대한 조류계산결과는 금오도-안도 협수 로 내 St. G2, G3 정점(St. G2: 34° 29.54' N, 127° 47.84' E, St. G3: 34° 29.33' N, 127° 47.65' E; Fig. 1 하단)에서 각각 대조기 25시간(2008년 2월 11-12일) 및 1개월 (2007년 6월 14일-7월 15일) 관측된 조류 측정치와 비교 하였다(Fig. 3). 협역모형 내 G2, G3 정점과 동일지점에 서 수치 계산되어 해가 안정된 후 최종 25시간 계산된 유속결과의 분산도(Fig. 3 상단 우측)와 약 1개월 분산도 (Fig. 3 하단, 우측)를 현장에서 측정된 조류의 분산도 (Fig. 3 상단과 하단 좌측)와 함께 Fig. 3에 나타냈다. 수치 계산된 조류는 관측치와 비교할 때, 탁월유향은 두 정점 모두 북동-남서방향으로 거의 유사하고, 유속범 위에서도 큰 차이를 보이지 않았다(변동범위 15% 이 내). 관측이 이루어진 지점은 금오도와 안도의 주 수로 해역으로, 주변의 크고 작은 섬과 협수로의 영향으로 수심변화가 매우 크다. 따라서 수로 주변은 유속크기의 변화가 쉽게 나타나 지리적 차이로 인한 유속변동은 어 느 정도 예상되며, 약 15% 내외의 계산치와 관측치간 오차는 지역적 특성을 감안할 때, 계산에 의한 유속재현 이 어느 정도 잘 이루어진 것으로 판단된다.

    조류와 조석평균류 분포

    광역모델의 대조기 창조류 최강류시와 낙조류 최강류 시의 해수유동 계산결과를 Fig. 4에 나타낸다. 그림 속 유속벡터는 해가 안정된 이후 25시간 동안의 자료이다. 조류는 창조시 금오열도 동쪽 남해 외해에서 서진하던 흐름이 안도-소리도 협수로를 서북서 방향으로 통과하 는 흐름과 금오도-안도 협수로를 따라 서남서 방향으로 통과한 흐름이 합류한 다음. 여자만 입구와 나로도-금오 열도 사이 봇돌바다를 향해 금오도 서쪽 연안을 따라 북서류 한다. 따라서 창조시 금오도-안도-소리도 해역의 조류는 서남서-서북서 방향의 서향류가 탁월하며, 주변 보다 유속이 빠르다. 낙조류시는 창조류와 반대로 남해 외해를 동진하는 조류와 여자만과 봇돌바다에서 금오도 서쪽연안을 따라 남동류하는 흐름이 서로 합류하여 금 오도-안도-소리도 사이 협수로를 동북동-동남동 방향으 로 빠져나간다. 따라서 낙조시는 창조시와 반대로 동향 류가 탁월하다. 이러한 창, 낙조류 분포는 유역면적이 큰 남해 외해를 동서로 진행하는 조류가 금오열도를 경 계로 금오도-안도-소리도의 협수로를 통과할 때 나타나 는 현상으로, 우리나라 남해안이나 서해안 같은 리아스 식 다도해역에 나타나는 조류의 수렴, 발산현상이다. Choo (2019a)는 ADCP bottom tracking에 의한 금오열 도 주변 조류와 조석 평균류 조사에서 좁은 수로와 크고 작은 섬들, 빠른 조류 유속으로, 조류는 수로와 섬 주변 에서 수렴, 발산하고, 이로 인해 시계 또는 반시계 방향 지형성 와류(topographical eddy), 후류와(lee wake), 반 류(counter current) 등이 형성됨을 지적한바 있다.

    협역 모델에 의한 금오도-안도 협수로 주변 소조와 대조시 최강창조류와 최강낙조류 분포를 Fig. 5와 6에 나타낸다. 창, 낙조류에 따른 금오도-안도 협수로의 전 체적인 해수유동은 수로를 따라 창조시 남서-남, 낙조시 북동-북 방향으로 흐른다. 소조와 대조시 창, 낙조류 유 동형태는 대조가 소조에 비해 더 빠른 유속을 나타내는 것 외 주 유동 방향의 두드러진 변화는 찾아 볼 수 없다. 다만, 창조시 안도 서쪽 대부도와 대부도 북북서쪽 소부 도, 북동쪽 노적섬 등의 영향으로 유속이 느린 소조시 소부도 서쪽과 대부도 남서 해역에 시계방향 소형 와류 (eddy)가 금오도-안도 수로를 남서로 통과하는 흐름과 안도 남쪽을 서진하는 흐름 사이에 형성되었다. 조류유 속이 점차 약해지는 시기의 조류 흐름은 폭이 좁고 수심 이 깊은 주 수로역을 제외하면, 조류에 의한 수평방향 난류와 해저마찰이 비선형효과를 유발하고(Ippen and Harleman, 1966;Friedrichs and Aubrey, 1988), 섬 주변 에서 발생하는 island wake(지형성와류 또는 후류와, Barton, 2001;Caldeira et al., 2002;Chavanne et al., 2002)로 인한 eddy 발생(shedding)과 반류 등으로 불규 칙한 유동형태가 출현하게 된다.

    조류는 협수로를 통과해 폭이 급격히 넓어지는 장소 에서 이류와 압력경도(방향은 이류와 반대인 협수로 방 향)가 서로 균형을 이루게 된다. 조류는 압력과 흐름의 균형이 이루어진 상태에서 해안의 점성경계층 내 유속 은 작아지게 되고, 따라서 압력경도와 해안 점성응력이 균형된 상태에서 협수로 방향으로 반류가 만들어진다. 이러한 흐름 속에서 협수로 해안 점성경계층에서 만들 어진 와도는 축적되어, 일부 지형성와류가 되어 발달한 다. 관성이 큰 조류의 경우는 지형성와류가 점차 유출되 어 협수로 바깥 해역으로 운반되고, 이들 와도 대부분은 그대로 축적된다. 이와 같이 만들어진 지형성와류(창조 류시)는 대조시 하류방향으로 운반되어 협수로 바깥 금 오도 남쪽해역에 축적된 후, 보다 성장한 와도의 소규모 시계방향 와류가 형성된다. 와도는 협수로 부근 해안마 찰에서 기원하여 생성되고, 조류 평균류와 변동성분에 의한 이류로 운반된 후, 해저마찰과 수평와동확산에 의해 최종 소멸된다(Sugimoto, 1975). 낙조류시도 창조 류시와 마찬가지로 금오도 북동쪽 초삼도 서쪽 해역에 형성되어진 약한 반시계방향 와류가 대조시 하류방향 으로 운반되어 초담도 북동 해역에 좀 더 성장한 지형 성 와류가 형성되었다. 창, 낙조류 유동변화로 인해 와 도세기와 형성위치가 서로 다른 현상도 해역 내에서 현저하였다. 이 가운데 가장 특징적인 것은 해수가 수 렴되는 합류역(창조류시 초삼도 주변, 낙조류시 대, 소 부도 주변)은 지형성와류나 후류와가 출현하지 않지 만, 수로를 통과한 후 흐름이 분지되는 되는 해수 발산 역(창조류시 대, 소부도 주변, 낙조류시 초삼도 주변)은 조류가 수로 통과 후 제트류 형태로 분사되는 과정에 조류의 비선형 효과가 발생해 소형의 지형성와류나 후 류와가 생성된다.

    앞에서 언급한 바와 같이 금오도-안도 주변은 여러 섬 들이 위치한다. 따라서 이들 섬과 섬 사이 협수로의 수심 과 해저 및 육안지형은 매우 복잡하며, 이들 수로를 통과 하는 강한 조류는 수층과 조시에 따라 해역 내 유향·유속 의 수렴과 분산을 일으킨다. 다도해역의 이러한 조류분 포는 연직방향의 유속시어(velocity shear)와 수평와류로 인한 공간적 혼합(Strang and Fernando, 2001) 또는 지형 효과로 인한 비대칭 조류혼합(asymmetric tidal mixing (ATM)) (Cheng et al., 2013)이 원인이 되어, 조류 유출입 에 따른 협수로 내 해수의 수평·연직 혼합이 금오도-안도 주변 해역에서 강하게 일어날 것으로 추정된다.

    소조와 대조시 금오도-안도 해역의 조류결과를 조화 분해한 후, 동 해역에 탁월한 반일주 조류성분에 대한 조류타원을 각 grid 지점에 대해 도시한 것을 Fig. 7에 나타냈다. 각 해역에 대한 조류타원 분포는 조석주기 내 조류의 진폭과 주 유향 및 조류특성을 파악할 수 있다. 조류타원의 형태는 전 해역이 장축이 단축보다 긴 왕복 성이나, 특히 금오도-안도 협수로 내 조류타원은 거의 직선으로 창, 낙조류가 출현하는 형태이다. 조류타원이 회전성 형태를 보이는 곳은 대부도 남서쪽 일부에 나타 난다. 이 해역은 조류방향이 조시에 따라 연속적으로 변 화하는 곳으로, 금오도-안도 협수로를 통과하는 흐름과 대부도 남쪽을 흐르는 흐름이 합류하며 그 세기와 방향 이 조시에 따라 변동하는 곳이다. 금오도-안도 해역에서 창, 낙조류시 출현하는 시계 또는 반시계방향 지형성 와 류(Fig. 5, 6)는 조시에 따라 생성, 소멸하는 특징을 가진 다. 조류의 주기(탁월 반 일주)성분으로 계산된 조류타원 은 이들 지형성 와류가 탁월한 해역에서 크기가 작거나 미미하다. 이는 조류 흐름의 지형적 불안정으로 발생하 는 해역 내 지형성와류(tidal induced topographical eddy) 가 시간 정상류적 흐름이 아님을 나타낸다. 한편, 안도 북서쪽 내만형태 해역에서는 조류타원이 환류형태로 존 재해, 창, 낙조류로 인한 소규모 환류가 형성되어 있음을 알 수 있다. 여기서 환류란 와류(eddy)나 와(wake) 보다 다소 시간 정상적(평균류) 의미의 순환(circulation)을 말 한다.

    금오도-안도 협수로의 반일주조류 조류타원 분포 (Fig. 7)에서 조류는 매우 강한 왕복성을 나타내고, 이러 한 유동형태는 Fig. 1의 금오도, 안도 주변해역 수심과 해저지형의 분포와도 잘 일치한다. Fig. 8은 소조와 대조 시의 최강유속 분포를 나타낸 것으로, 유속이 큰 해역은 남서-북동방향으로 형성된 수심이 깊고 폭이 좁은 협수 로 역과 같다. 최대 유속은 소조, 대조 모두 금오도-안도 수로 북동 끝단 협수로에서 100-150 cm/s의 크기이다. 수로 내 남서-북동 방향 강 유속대 양측 해역은 조류유 속의 수평시어가 매우 커 난류혼합이 활발하다. 따라서 조류 주축 양측으로 작은 소용돌이 와류 또는 와열 (vortex)이 형성되고 생성된 와도(vorticity)에 의해 주변 지형과 크기에 맞은 소형 와류가 만들어진다. 수로 주변 유속의 수평경도와 육안지형과의 관계(Fig. 8 우측 그림 참조)로 볼 때, 적절한 크기의 와동이 형성될 수 있을 해역은 안도 서고지 북서연안, 금오도 남동연안, 수로 북동 끝단 동쪽 안도 북서내만 그리고 대부도-안도(서고 지) 사이 해역 등으로 추정된다.

    금오도-안도 협수로를 따라 남서-북동 방향으로 유출 입하는 폭이 좁고 길이가 짧은 수로 내 조류는 수로 양끝 해역 즉, 금오도-안도 북동 남해 외해와 남-남서쪽 남해 외해역의 조석 차이에 의해 수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 조류가 형성된다. 또 두 바다의 조위가 같아졌을 때 전류한다. 금오도-안도 수로 내 조류유속은

    V = 2 g ( ϕ − ϕ ′ )
    (7)

    과 같이 수로 양끝 해역의 수위 차에 따라 결정된다. 여기서 V 는 수로 내 조류유속, ϕ, ϕ′는 평균수면으로 부터 양측 해역 해면승강의 높이이다.

    소조와 대조시 한 조석주기 동안 평균된 조석평균류 (이하 조석잔차류) 분포를 Fig. 9에 나타낸다. 연안해역 의 평균류는 조석, 바람응력, 열속(heat flux), 강물유입 등과 같은 다양한 외력들에 의해 형성된다. 해역의 순 (net) 물질순환에 기여하는 이러한 평균류 혹은 잔차류 는 비조석과 조석성분이 있다. 비조석성분은 일반적으 로 바람응력(wind stress), 담수유입(buoyancy forcing), 외부적 해류(external flow) 등으로 계절적, 공간적으로 변동한다. 조석성분은 육안 및 해저지형에 의해 조류운 동에 비선형효과(non-linear effects)가 나타나는 영구적 조석잔차류가 있다. 금오도-안도 협수로 해역에 출현하 는 잔차류(평균류)는 수로 내 복잡한 지형과 조류의 상 호작용으로 인한 강한 조석 정류(tidal rectification) 효과 로 인한 조석잔차류로 판단된다. 조석 정류효과는 조류 가 복잡한 수심경사를 통과할 때 나타나는 지형 (topographic) 및 회전(rotational) 효과로 유도되는 평균 흐름이다(Loder, 1980). 연안 해역의 조석잔차류 파악을 위한 방법에는 수치모델실험이 매우 유효한 것으로 알 려져 있고(Xue et al., 2009;Yang and Wang, 2013), 이들 실험결과에서 조석잔차류는 복잡한 육안 및 해저지형과 매우 밀접하게 관련되고 해당해역의 해수교환과 물질순 환에 중요한 역할을 함이 밝혀져 있다.

    초삼도 주변과 대, 소부도 서쪽해역 등에 창, 낙조류 에 의한 해수의 수렴, 발산으로 나타나는 지역적 와류나 후류와는 존재하지 않는 대신 좌선(반시계방향), 혹은 우선(시계방향)의 환류가 금오도-안도 수로 주변에 형성 되었다. 금오도-안도 협수로 남서와 북동쪽에 출현하는 지형성와류는 조류가 협수로를 빠른 속도로 통과하며 얻게 되는 해안마찰로 와도(shear vorticity)성분이 생성 되어 미소한 와열(eddies)이 만들어지고, 이것이 조류 변 동성분에 의한 이류의 평균(비선형효과)과 항류의 이류 로 협수로 바깥 해역에 운반되어 보다 큰 규모의 와동 (lee wake, island wake)으로 집적된 후, cascade up(점차 규모가 증가)하여 협수로 양 끝단에 강한 지형성와류가 형성된다. 이후, 협수로 지형효과에 의한 와도의 유입이 해당해역에서 계속되고 조류가 강해지면, 이 지형성와 류는 협수로 바깥해역으로 운반되고 관성효과로 이 와 류를 주변해역에 머물게 한다. 따라서 이 와류의 와도는 주변해역 내에서 점차 확산되고 cascade up되어 항류로 서 조석잔차환류(tidal residual circulation)가 형성된다. 이 잔차환류는 조류가 만드는 지형성와류를 주변해역으 로 운반하는 효과가 뛰어나 점차 발달하게 된다. 이 잔차 환류의 발달시간은 대단히 빨라, 몇 조석주기 내 시간 정상상태에 도달하게 된다(Choo, 2019b).

    금오도-안도 협수로 해역의 해안 및 해저지형에 따른 지형성와류와 이로 인한 잔차환류 생성은 연안해역의 어장학적 측면에서 매우 중요하다. 한국수산자원공단 (FIRA)은 우리나라 연안에서 미래지향적이고 환경친화 적 어업생산을 위해 1999년부터 해저 인공구조물(인공 어초) 설치(금오열도 주변은 2003년 수산자원의 지속적 생산과 이용, 관리를 위한 다도해형 바다목장 사업 시행 (MOF, 2003))로 인위적 지형성와류를 일으켜 해양생물 의 산란과 서식장을 조성하고 있으며, 이를 위해 인공어 초 설치 전과 후, 측면주사음향탐지기(side scan sonar) 나 다중음향측심기(multi-beam echo sounder)를 사용하 여 적지조사와 사후관리를 하고 있다(FIRA, 2021). 한 편, Choo et al. (2008)은 여수 금오열도 다도해역에서 음향탐지기를 사용하여 해저에 설치된 어공어초의 시설 상태를 파악하고, 이를 바탕으로 잠수조사를 실시해 생 물상을 조사하였는데, 어초설치 해역은 수산생물의 부 착과 성장이 매우 잘 이루어지고, 특히 어초로 인한 와류 로 어초 주변은 볼락, 용치놀래기, 돌돔 등의 유영생물 58종, 산호, 감태, 말미잘 같은 부착생물 28종 등과 같이 다양한 생물이 성장하고 있음을 확인한 바 있다. 지형성 와류나 조석 잔차환류에 대한 연구(Maddok and Pingree, 1978;Maruyasu et al., 1981)는 다도해역의 해수교환을 파악하기 위한 연구(Takeoka and Higuchi, 1982;Nakada and Hujiwara, 1985)나 수리모형 실험연구 (Sugimoto et al., 1976)에서 다수 이루어져 있다. 향후, 금오도-안도 협수로 해역에서 주변 해수와의 상호작용 (수렴, 발산)으로 형성되는 조석 잔차환류의 생성, 변동 시 나타나는 해수의 연직혼합과정을 유체실험을 통해 보다 명백히 할 필요가 있다.

    대, 소조시 금오도-안도 수로 중앙에 반시계방향, 수 로 북동 끝단-안도 북서 내만역에 시계방향, 그리고 대 부도-안도에 시계 및 반시계방향의 소형 환류가 형성되 었다. 금오도-안도 수로 중앙의 반시계방향 환류는 창조 류시 조류가 금오도 연안을 남서류하고, 낙조류시 안도 서고지 연안을 북동류 함에 의해 형성되어진 것으로 생 각된다. 협수로 북동 끝단-안도 북서 내만 해역은 낙조 류시 북동, 창조류시 남서-서향의 조류가 강해 시계방향 환류가 형성되었다. 한편, 대부도-안도 해역은 육안 지 형적 특성으로 창, 낙조류시 물체 후면에 형성되는 후류 와나 반류에 의한 시계, 반시계방향 두 소형 환류가 만들 어졌다. 이러한 수로 양측의 비 대칭적 환류(평균류)의 주 원인은 육안 및 해저 지형의 복잡성에 의해 각기 다양 하게 출현하는 왕복성 조류의 선형변형, 각 변형, 회전 변형에 따른 것으로 보인다.

    소조와 대조시 형성되는 조석 잔차류의 유속을 Fig. 10 에 나타낸다. 잔차류 유속이 10 cm/s 이상인 곳은 대체로 금오도-안도 수로 해역으로, 두 섬 사이 협수로를 남서-북 동방향으로 강하게 흐르는 조류로 인해 안도 북서 및 금 오도 남동 해안에 조석 잔차류의 유속이 컸다. 조석 잔차 류는 대체로 환류 형태(Fig. 9)로 존재하여, 최대유속은 잔차환류 가장자리에서 약 20-30 cm/s 크기를 나타냈다.

    결 론

    금오도-안도 협수로 주변해역의 조류 및 조석 잔차류 분포와 지형성 와류, 조석잔차 환류의 생성과정 등을 수치모델실험과 vorticity balance(와도 평형) 분석을 통 해 파악하였다. 조류는 금오도-안도 협수로를 따라 창 조시 남서류, 낙조시 북동류하는 전형적 왕복성 조류형 태로, 최강유속은 소, 대조시 약 100-150 cm/s였다. 소조 기 창조류시 소부도 서쪽과 대부도 남서 해역에 시계방 향의 소형 와류가 형성되고, 대조시는 금오도 남쪽해역 에 보다 성장한 소규모 와류가 형성되었다. 소조기 낙조 류시도 금오도 북동 초삼도 서쪽 해역의 와류가 대조시 초담도 북동 해역에 좀 더 성장한 지형성 와류로 나타났 다. 창, 낙조류에 의한 조류타원은 대체로 왕복성으로 금오도-안도 협수로에서는 직선 형태였다. 이러한 지형 성와류들은 조류가 금오도-안도 협수로 통과 시 해안마 찰로 인한 와도성분에 의해 발생하며, 협수로 끝단에 운반되어 집적되고 규모가 성장하여 만들어진다. 조류 가 강해지면 지형성와류는 바깥 외해로 이동, 정착, 확산 되며 주변지형에 따른 반시계 또는 시계방향 조석 잔차 환류로 성장한다. 모델실험에 의한 금오도-안도 주변의 조석잔차 환류는 대, 소조시 금오도-안도 수로 중앙부에 반시계방향, 수로 북동 끝단-안도 북서 내만 해역에 시 계방향, 대부도-안도 사이에 시계와 반시계방향 소형 환 류가 존재하고, 그 유속크기는 최대 20-30 cm/s였다. 향 후, 금오도-안도 협수로 주변 해수의 상호작용(수렴, 발 산)으로 인한 보다 상세한 조석 잔차환류의 생성·변동과 해수혼합과정 파악을 위한 실험연구가 필요하다.

    사 사

    이 논문은 2021년 해양수산부 재원으로 해양수산기 술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(ICT 기반 수산 자원관리 연구센터).

    Figure

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    Study areas of far-field (upper panels) and near-field(lower panels) for numerical model experiments. Contour numbers show depth (m). St. T1, T2, T3, T4, G, G2, and G3 show the mooring points for tide (St. T1~T4) and current (St. G~G3) observation.
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    Comparisons between observed and calculated tidal elevations at T4 (Uhak-ri).
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    Comparisons between observed (left) and calculated (right) scatter diagrams of currents at St. G2 (upper) and G3 (lower).
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    Maximum flood (left) and ebb (right) currents in spring tide calculated by far-field model experiments.
    JKSFOT-57-3-214_F5.gif
    Maximum flood (left) and ebb (right) currents in neap tide between Geumo Island and An Island.
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    Maximum flood (left) and ebb (right) currents in spring tide between Geumo Island and An Island.
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    Ellipses of semi-diurnal tidal currents in neap (left) and spring tide (right) between Geumo Island and An Island.
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    Maximum velocity contours of tidal currents in neap (left) and spring (right) tide between Geumo Island and An Island.
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    Tide induced residual currents in neap (left) and spring (right) tide between Geumo Island and An Island.
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    Velocity contours of tide induced residual currents in neap (left) and spring (right) tide between Geumo Island and An Island.

    Table

    Comparisons between observed and calculated currents in spring and neap tide at St. G

    Reference

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